印刷电子技术在医疗等应用中大显身手

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印刷电子 printed electronics)的应用领域在不断扩大，这种技术可结合液体功能性材料和先进的印刷设备来创建半导体元件和电子电路。

        用该方法制作出来的器件在功能上类似于基于传统硅技术的同类产品，但成本更低，并具有大量独有的特性，为从微型的“智能标签”到真人大小的医疗成像设备等一大批新兴电子应用创造了机会。

        印刷技术

        印刷半导体技术建立在各种成熟、类似的印刷技术的基础之上，可以大幅度提高产能。传统的图形艺术只能完全依赖肉眼的判断，而电子产品却要求精确的电气、机械和光学特性。不论选择何种印刷技术，印刷电子公司都需要先进的设备和流程。

        事实上，任何印刷技术都适用于半导体制造，不过某些工艺可能更加适合于特定材料或应用。每一项技术都有自己的优势和缺陷。在制作单个器件时，实际上可以结合多种印刷工艺。

        喷墨印刷

        印刷电子中最常见的技术之一是喷墨印刷。典型的喷墨印刷机有好几个印刷头(分别用于不同的颜色或油墨)，每一个都带有数十个微型喷嘴，可把油墨喷到基板上。由于这是一种完全的数字技术，故不需要任何加工。一个电子设计可以直接被转换为印刷文件。它非常适合于快速建立原型和定制分批生产，也可用于大批量环境。

       喷墨印刷有许多优点，比如，分辨率相当高的 (80-I1/4m 到 100-I1/4m 线)，具有灵活性，成本较低，并与几乎所有类型的基板兼容。印刷电子推动了设备的进一步发展，最新的喷墨头能够处理20-I1/4m的特征尺寸，这大大扩展了喷墨技术在电子领域的应用范围。

        丝网印刷

         另一种常用的印刷电子技术是丝网印刷(screen printing)。丝网通常由精细编织的多孔织物或在金属版架上伸展的金属网孔构成。丝网顶端有一块模版(stencil)封住了油墨不应穿过的网孔区域。丝网放置在基板顶端，然后使用油墨。采用一块橡皮刀片在丝网的网孔通透区域进行刮墨，然后吊离丝网。

        丝网印刷可与各种基板一起使用。它可以单次淀积厚膜，但不能用来淀积极薄层膜。丝网印刷一度被视为分辨率极低的技术，不过一流的丝网能够实现小至40 I1/4m的特征尺寸，边缘锐度比喷墨技术的更高。

       纳米压印光刻

         纳米压印光刻(nanoimprint lithography)是一种可用于印刷电子的新型技术。纳米压印光刻基于传统印刷中所用的光刻技术，从三维压印开始。

         首先在在基板上旋转涂敷或滴洒一层液体抗蚀剂材料。接着把印刷模板(stamp)压在抗蚀剂上(图1a)，再利用热烘或紫外线照射让材料变硬(图1b)。然后移开模板(图1c)，这时变硬的抗蚀剂上留下模板上图案的形状。抗蚀剂的残留部分随后可以被蚀刻掉(图1d)

         上述步骤中获得的带有图案的抗蚀剂可用作掩膜版以形成后面各层的图案，然后再被溶解。此外，正确配方的抗蚀剂材料本身就是最终制做出来的器件中的一个功能层。纳米压印光刻是一种前景非常看好的高分辨率技术。其分辨率只受模板制作工艺的限制，可以小至20nm – 比喷墨或丝网印刷的分辨率低了好几个数量级。它的挑战在于具有所需电气及光学特性的抗蚀剂材料的配制。

          新型材料

        由于要在各式各样的表面上进行印刷，现在的商业印刷技术几乎适用于任何材料，它可以处理从厚玻璃到糙纸或塑料乃至塑料薄膜的所有材料。

          这种能力对电子产品极为有利。电子元件及电路将有可以从厚重刚硬的硅基板的束缚中解放出来，变得超薄、轻巧、可弯曲且透明。基板尺寸主要取决于印刷技术，商用卷带式(roll-to-roll)印刷设备甚至可以在2米宽、数千米长的表面上进行印刷。

         采用印刷技术需要液体功能材料 - 导体、半导体、绝缘体等等。尽管印刷电子似乎常常被描述成有机电子，但实际上有机和无机材料都在使用。

         可印刷无机材料包括银等金属纳米粒子和液溶性量子点等半导体材料。有机材料基于1970年代的诺贝尔奖发明 - 具有半导体特性的共轭高分子(Conjugated Polymer)。这些材料可以针对专用电气和光学特征进行量身定做。

        传统硅元件和有机半导体之间的基本功能差异在于，硅元件的电荷界面是2D的，而利用可印刷油墨制作的元件的电荷界面是3D的。在硅器件中，施主材料层和受主材料层是分离的，只有层间界面附近产生的电荷能够形成电流。

         另一方面，在有机半导体中，施主和受主材料在同一层里混合，因此在整个3D层体上建立了一个电荷界面。结果，几乎产生的所有电荷都可形成电流。由于有机材料是多种化学物质的混合，只要混合物中的成分有变化就会改变器件的电气和光学特性。

          生产工艺

         印刷半导体生产虽然与传统硅半导体制造有一些基本的相似之处，但前者要快得多、简单得多，也环保得多。传统的动辄数十亿美元的硅制造厂需要数千人花费数周或数月时间才能完成的工作，印刷半导体厂只需区区几十人在几小时或几天之内就可以搞定，且成本只有几分之一。

         生产工艺的第一步是进行可印刷“油墨”中的功能性材料的配方工作(图2)。每一种被混合的材料都针对专用的机械、电气和光学特性。这一步骤的作用类似于传统硅制造厂中的掺杂工艺，但远为简单，也更加灵活。此外，还需要添加剂来调节干燥时间或粘性。

         例如，喷墨技术中的喷嘴非常小，油墨必须具有适当的粘性和表面张力才能通过。而丝网印刷使用的是粘性较低的油墨。同时，油墨必须具有电气特性。还必须调节粘性和表面张力以避免一些问题的产生，比如粘合不够牢固造成油墨滴落，无法进行充分传导；或者是表面过于粗糙，不利于下一个功能层的粘合。

        第二步是清洁和处理基板，提高其粘附能力。利用专门的工业印刷机(图3)来淀积功能层。这些功能层必须精确对准。因此，基板被安置在一个自对准的X-Y工作台上，后者是一种带有高速线性电机，能以亚微米精度对移动进行精确控制的精密仪器。

        在印刷下一层之前，上一层必须进行干燥。为了缩短干燥时间并提高电气特性，每一层都得进行处理。例如，高导电性的银墨(Silver Ink)包含了混入聚合物的银纳米粒子，以更好地印刷。不过，这种混入可能阻碍粒子间彼此的粘合。热处理会使聚合物挥发，提高导电性。

        一旦最后一层经过淀积和处理，若应用需要，器件就可以被封装以提高稳固性，延长保存期。接下来是器件测试，然后利用计算机控制的激光或玻璃切割系统对之进行分离。最后，器件进入终测和老化测试阶段。

        新的应用

         印刷电子所具有的这些新的技术特性 - 薄、轻、灵活、可弃性(disposability)、透明性、大尺寸，以及可定制光学特征 – 加上低成本和更快的周转速度等优势，可以实现广泛范围的新型应用。其中包括显示和照明：用于移动设备、电子书和大型可变化广告牌的滚动式、折叠式显示屏，以及在任何表面上任何颜色的低成本高效率照明(即夜晚成为光源的橱窗)。

          印刷电子也将在传感器中大显身手，比如医疗和工业应用中的大型成像传感器(图4)，还将在移动设备集成的轻薄生物特征识别系统中找到用武之地。此外，它还可以用在片上实验室系统上的微型传感器中，以实现实时现场检验(point-of-care)医学测试和环境测试。

        其次，几乎每一样东西都在变小，除电子产品之外，印刷传感器、逻辑电路、存储器和通信的结合还出现在各式各样的产品中，比如用于库存控制的RFID标签、用于通话和玩游戏的交互式产品、能够改变保存期的智能食品包装、能够监控并传递病患依从性(patient compliance)信息的药品包装，以及能够监控穿用者的生命体征(vital signs)并帮助调节人体体温的衣物等。

        印刷电子还能够用于能量提供。灵活高效的光电电池可以为移动设备与商用/住宅设备供电，而轻巧的光电薄膜电池能够为印刷电子设备供电。

        当然，上述例子只是一种可能性。在1950年代，没有人能够想象到硅技术的深入普及。但今天它已无处不在，在计算机、汽车、移动电子、电器甚至玩具中都可以发现它的踪影。同样地，我们现在也无法想象未来印刷电子的各种用途。也许最伟大的“杀手应用”就近在咫尺。但我们至少了解这是一种可行技术，能够实现生活增进型应用并创建新的商机。


本文来源：电子系统设计     作者：Klaus G. Schroeter